Estudio de Factibilidad para la Instalación de Generación Distribuida en la Comunidad de Agua Mena. Estado Bolivar.

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1 I CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Noviembre Estudio de Factibilidad para la Instalación de Generación Distribuida en la Comunidad de Agua Mena. Estado Bolivar. L. Cova Palacios J. C. Rangel CADAFE RESUMEN Dando cumplimiento a la directriz del Ejecutivo Nacional de prestar servicio eléctrico a las comunidades indígenas ubicadas en zonas rurales aisladas, CADAFE desarrolló un estudio de factibilidad técnico económico para evaluar el suministro eléctrico por medio de generación distribuida a la comunidad de Agua Mena, ubicada en el Municipio Cedeño, del estado Bolívar. Dicha comunidad se encuentra retirada de la red de distribución, motivo por el cual se hace necesario realizar un diseño de suministro de energía eléctrica usando energías renovables. La potencia prevista a instalar en la aldea es de 28 kw y una tensión de operación de 220Vca. Para determinar dicha potencia se realizó un análisis de consumo energético diario en la comunidad. En las corridas realizadas con el programa Homer (eólicos fotovoltaicos diesel), se plantearon dos (2) sistemas híbridos, uno centralizado y el otro autónomo, arrojando como resultado que la mejor configuración del sistema propuesto es el fotovoltaico diesel, de menor inversión y mayor confiabilidad. Aunque se conoce que el sistema fotovoltaico cubre la demanda energética de la comunidad, se requiere de un grupo diesel de respaldo en caso de que alguno de los componentes del sistema fotovoltaico llegase a fallar, específicamente para el ambulatorio rural y la escuela. El sistema fotovoltaico le permitirá a CADAFE reducir el presupuesto y tiempo estimado para la selección del sistema de electrificación requerida para la aldea. De igual forma, elimina en su totalidad el mantenimiento correctivo a líneas de alta y baja tensión, pues con este sistema es innecesario el uso de éstas. Otro aspecto importante es que con esta aplicación se busca mejorar la calidad de vida de todos los pobladores y contribuir con el resguardo ecológico de sus alrededores. lcova2@cadafe.com.ve

2 PALABRAS CLAVE Suministro Eléctrico Zona Aislada Sistema Fotovoltaico Energía Renovable Ecológico OBTENCIÓN DE DATOS 1.- Usando los valores aportados por la base de datos de la NASA (Nasa Surface Meteorology and Solar Energy Data Set 2007) se obtienen los datos climatológicos de insolación diaria, máximo de días sin presencia de luz solar, temperatura del aire y velocidad del viento, para las coordenadas Latitud: , 4 N y Longitud: ,2 W, correspondientes al emplazamiento de la comunidad. 2.- Los datos referidos al equipamiento de la vivienda son obtenidos de la Dirección de Planificación de Expansión del Sistema Eléctrico de CADAFE. Los datos del equipamiento del ambulatorio rural tipo 1, se obtuvieron del Ministerio de Salud y los datos correspondientes a la escuela se obtuvieron de la Zona Educativa del estado Mérida para las escuelas en zonas rurales; estos datos fueron respaldados por los manejados por el Banco Mundial. 3.- Los costos de los equipos a utilizar en las alternativas de generación se basan en referencia internacional, en la web y datos de ISOFOTON y ATERSA, compañías suplidoras de sistemas fotovoltaicos. METODOLOGÍA Y ANÁLISIS 1. El primer paso para la ejecución del estudio es determinar la demanda horaria a instalar, para lo cual se realizó una estimación del consumo energético donde se consideraron los equipos más frecuentes existentes según el tipo de vivienda, el consumo por equipo y el tiempo aproximado de uso de cada equipo durante el transcurso de un día. 2. La tensión del sistema se define básico, de 120Vcc / 220Vca a 60Hz de frecuencia. 3. Una vez conocida la demanda horaria y los datos obtenidos de la página de la Nasa, se obtiene que para la zona donde se colocará la instalación, el mes de junio es el más desfavorable y para efecto de cálculo debe utilizase, razón por lo que se define la autonomía de las baterías utilizando una capacidad de almacenamiento de 3 días, con una capacidad de almacenaje de 450 kwh. 4. Para determinar el sistema de generación eléctrica a utilizar se realizaron varias corridas con el Programa Homer 2.0, el cual permite comparar diferentes sistemas de suministro eléctrico con fuentes alternas, dadas las potencialidades energéticas de la zona. 5. En los escenarios evaluados con el programa Homer (eólicos fotovoltaicos diesel), se plantearon dos (2) sistemas híbridos, uno centralizado y el otro autónomo, arrojando como resultado que la mejor configuración del sistema propuesto es el fotovoltaico diesel autónomo (respaldo en el ambulatorio y en la escuela), de menor inversión y mayor confiabilidad. (anexos) 1

3 DISEÑO DE LA INSTALACIÓN. Subsistema de Captación. Células Monocristalino: Las celdas solares son dispositivos basados en el fenómeno físico denominado efecto fotovoltaico, los cuales son capaces de transformar la energía solar en electricidad. Subsistema de Regulación. El Regulador: El funcionamiento de un acumulador eléctrico, sus presentaciones y en general su tiempo de vida depende en gran medida del modo en que se llevan a cabo los procesos de carga y descarga del mismo. La supervisión automática de este proceso no la puede realizar el módulo y se hace necesaria la inclusión en el sistema de un nuevo elemento llamado regulador o controlador de carga. Subsistema de Acumulación. El Acumulador Eléctrico: Una fuente de energía eléctrica de origen fotovoltaico se caracteriza principalmente por su variabilidad (diaria y estacionaria) y aleatoriedad, lo que afecta de forma directa y en sentido negativo a la disponibilidad del servicio eléctrico en la instalación y consiguientemente, a su autonomía. Por otro lado, los valores de tensión y corriente y por lo tanto de potencia de un modulo fotovoltaico depende de las características eléctricas del aparato al que se conecta, de modo que la conexión directa no es, en la mayor parte de los casos una solución apropiada. Para evitar estos inconvenientes se necesita la inclusión en el sistema de acumuladores eléctricos o baterías. Subsistema de Componentes Auxiliares. La Estructura de Soporte de los Paneles Solares: El aprovechamiento óptimo de la energía solar requiere que los módulos fotovoltaicos dispongan de la orientación e inclinación la adecuadas. Esto, unido a consideraciones como las superficies ocupadas por el número de módulos necesarios en la aplicación, la dificultad de su integración directa en edificaciones existentes (actuando los módulos como elementos estructurales y de cerramientos) y los efectos perjudiciales que el sombreado (incluso parcial) de los módulos ejerce sobre la generación fotovoltaica, hace necesaria la inclusión en el sistema de una estructura de soporte. Cableado de los Campos Fotovoltaicos.: A diferencia de los sistemas de electrificación convencionales los sistemas FV suelen instalarse en lugares donde dicha instalación no se había previsto. Por este motivo lo habitual es realizar un tendido de cableado a la vista, sujeto a los muros y paredes existentes (grapeados, con brindas o bajo canaletas), o bien enterrados (bajo tubos) cuando no hay elementos de edificación que faciliten dicha sujeción. Tierra de Protección de los Sistemas FV: La tierra de protección consiste en la unión eléctrica de las distintas masas metálicas y de éstas con la tierra. Subsistema de Acondicionamiento de Potencia El inversor para Sistemas Fotovoltaicos: La naturaleza continua de la tensión y la corriente de origen fotovoltaico, junto al uso en instalaciones autónomas de elementos de consumo especificados para corrientes alternas, hacen necesaria la inclusión en el sistema de un elemento que se encargue de acondicionar las características eléctricas del generador a las del receptor. Dicho elemento es el denominado habitualmente inversor o convertidor, aunque una denominación más recomendable sería ondulador. 2

4 CÁLCULOS a.- Dimensionamiento del Campo Fotovoltaico Para determinar la potencia a instalar se calculó la energía real de trabajo del sistema (Eg) y la energía generada por el panel en las Horas Pico Solar. Para efecto de cálculo se tomó como base el panel IS de la empresa Isofotón. Los cálculos determinaron que la potencia pico a Instalar es de 28 kwp. Para dicha potencia se requiere de 4 módulos en serie y 35 módulos en paralelo, lo que define un total de 140 módulos fotovoltaicos. El área aproximada de los paneles es: 233 mts ². b.- Dimensionado del Banco de Batería. Los cálculos dieron como resultado 60 baterías en serie y una en paralelo, lo que da un total de 60 baterías a utilizar. c.- Otros cálculos realizados: Dimensionado de los conductores. Dimensionado del regulador. Dimensionado del inversor. Dimensionado de los elementos de protección (Breakers). RESULTADOS OBTENIDOS Alternativa N 1: Este esquema plantea un sistema centralizado conectado a una red de baja tensión que distribuye la energía a las 24 viviendas, la escuela rural y el ambulatorio. Está diseñado con dos fuentes de generación, un grupo de paneles fotovoltaicos y un grupo Diesel de apoyo, definiendo una capacidad de generación de 42 kw. De esta forma se garantiza el suministro energético de toda la comunidad. SISTEMA CENTRALIZADO CONECTADO A RED DE BAJA TENSIÓN 14 kw 100 A 2 x12 kw 10 KVA 60 A 60 A 110 Vca Neutro 200 A 2 x100 A 110 Vca 28 kw Esquema Unifilar del SFV Centralizado. Fuente: Propio (2007). Alternativa N 2: En este esquema se plantea la instalación de sistemas de generación autónomos. Uno por cada vivienda diseñado con un grupo de paneles fotovoltaicos con capacidad de generación de 0.9 kw, Uno para la escuela rural con dos fuentes de generación, un grupo de paneles fotovoltaicos de 1,5 kw y un grupo Diesel de apoyo de 1 kw y uno para el ambulatorio con dos fuentes de generación, un grupo de paneles fotovoltaicos de 2.4 kw y un grupo Diesel de apoyo de 1.1 kw. 3

5 - Inversión del SFV Centralizado Componentes Costo x unidad Unidades Costo total 140 Modulos IS 200/32 4,88 $/W 200 W c/u ,00 $ 2 Regulador Chopper 5,8 $/A 100 A c/u 1.160,00 $ 1 Inversor Oasis 0,704 $/W 8000 W 5.632,00 $ 4 Estructuras de soporte 120 $/U - 480,00 $ 60 Batería 2AT 3753 Ah 755 $/U ,00 $ 1 Diesel 14 kw 300 $/kw 14 kw 4.200,00 $ ,00 $ - Inversión del SFV Autónomos. Desglose del Costo, (valores estimados). Descripción de Costo vivienda. Componentes Costo x unidad Unidades Costo total 6 Módulos IS 150/24 4,88 $/W 150 W c/u $ 1 Regulador Isoler D30 5,8 $/A 30 A c/u 174 $ 1 Inversor Isoverter 700 0,704 $/W 700 W 492,80 $ 1 Estructuras de soporte 120 $/U - 120,00 $ 12 Batería 2AT 3753 Ah 87 $/U ,00 $ 6.222,80 $ 24 viviendas ,20 $ Descripción de Costo Ambulatorio Rural Tipo 1. Componentes Costo x unidad Unidades Costo total 16 Módulos IS 150/24 4,88 $/W 150 W c/u ,00 $ 3 Regulador Isoler D30 5,8 $/A 30 A c/u 522,00 $ 1 Inversor Isoverter 700 0,704 $/W 1500 W 1.056,00 $ 4 Estructuras de soporte 120 $/U - 480,00 $ 12 Batería 2AT 3753 Ah 362 $/U ,00 $ 1 Diesel 1.1 kw 330 $/U - 330,00 $ Descripción de Costo Escuela Rural ,00 $ 10 Módulos IS 200/32 4,88 $/W 150 W c/u 7.320,00 $ 2 Regulador Isoler D30 5,8 $/A 30 A c/u 348,00 $ 1 Inversor Isoverter 700 0,704 $/W 700 W 492,80 $ 2 Estructuras de soporte 120 $/U - 240,00 $ 12 Batería 2AT 3753 Ah 126 $/U ,00 $ 1 Diesel 1 kw 300 $/U - 300,00 $ ,80 $ COSTO TOTAL ,8 $ 4

6 - Cuadro Comparativo de costos. Descripción Sistemas FV Autónomos Costo (US $) Sistema FV Centralizado Costo (US $) Sistema FV (*) , Transporte Marítimo (5%) 8.900, Nacionalización (20%) , Transporte Nacional (2%) 3.560, Instalación (6%) , Imprevistos (5%) 8.900, Total , ,000 CONCLUSIONES Electrificar la comunidad de Agua Mena para dar cumplimiento a la directriz del ejecutivo nacional de prestar el servicio eléctrico a las comunidades indígenas. En las corridas realizadas con el programa Homer (eólicos fotovoltaicos diesel), se plantearon dos (2) sistemas híbridos, uno centralizado y el otro autónomo, arrojando como resultado que la mejor configuración del sistema propuesto es el fotovoltaico de menor inversión y confiabilidad. Con base en lo anterior se optó por seleccionar el sistema hibrido fotovoltaico diesel, aunque se conoce que el fotovoltaico cubre la demanda energética de la comunidad se requiere de un grupo diesel de respaldo en caso de que alguno de los componentes del sistema fotovoltaico llegase a fallar, debido a que existe una escuela y la posibilidad de instalar un ambulatorio. En las corridas entre el sistema híbrido autónomo e híbrido centralizado resultó que el sistema centralizado tiene un costo de inversión 10% mayor al autónomo (sin incluir la micro red), pero el respaldo cubriría, en caso de falla, la demanda por energía de toda la comunidad. En el caso del autónomo tendrían respaldo solamente el ambulatorio y la escuela. BLIOGRAFÍA [1] Serie Ponencias. Ministerio de Ciencia y Tecnología y Ciemat Desarrollo Tecnológico de Sistemas Aislados con Energía Eólica (Editorial Ciemat, 2003). [2] Serie Ponencias. Ministerio de Ciencia y Tecnología y Ciemat Principios de Conversión de la Energía Eólica (Editorial Ciemat, 2005). [3] Serie Ponencias. Ministerio de Ciencia y Tecnología y Ciemat Fundamentos, Dimensionamiento y Aplicaciones de la Energía Solar Fotovoltaica, Volumen I (Editorial Ciemat, 2006). [4] Renewable Energy for Rural Schools. Publicado por The National Renewable Energy Laboratory. (Noviembre 2000) [5] Renewable Energy for Centers of rural Health. Publicado por The National Renewable Energy Laboratory. (Septiembre 1998) [6] Nasa Surface Meteorology and Solar Energy Data Set [7] Costo de equipos de generación - referencia internacional, [8] Costo de equipos de generación - referencia de compañías suplidoras de sistemas fotovoltaicos. y 5